天然气水合物藏注热开采敏感参数分析.pdf

第 3 2卷 第 2期 2 0 1 0 年 3月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LL I NG PR0DUCT1 0N TECHNOLOGY V0 1 ． 3 2 No ． 2 Ma r ．2 01 0 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 0 0 20 0 5 4 0 4 天然气水合物藏注热开采敏感参数分析 李淑霞 姜兴兴 姜汉桥 李清平 1 ． 中国石油大学石油天然气工程学院， 北京1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中国石油大学石油工程学院， 山东青岛2 6 6 5 5 5 3 ． 中海石油研究 中心技术研究部 ， 北京1 0 0 0 2 7 摘要天然气水合物作为一种潜在的未来能源， 其开采已经成为天然气 r - ,A k 新的研究热点。基于水合物藏热力开采的机 理， 建立了数学模型并编制了软件， 对影响水合物藏注热开采效果的参数进行了敏感性分析。结果表明， 分解前缘移动速度和 累积产 气量主要受孔 隙度 、 注热温度 、 初始水合物饱 和度、 水合物藏初始温度 、 分解 区导热 系数 和热扩散 系数 的影响 ， 而未分解 区的热力学参数对注热开采影响不大， 该研究对今后水合物藏的注热开采具有一定的指导意义。 关键词天然气水合物；注热开采； 敏感分析； 分解前缘；产气量 中图分类号T E 3 7 7 文献标识码A S e ns i t i v i t y a na l y s i s o f t he r ma l di s s o c i a t i o n o f na t u r a l g a s h yd r a t e L I S h u x i a ， J I A N G X i n g x i n g 2 ，J I A N Q H a n q ia o ， L I Q in g p in g 1 C o l l e g e o f P e t r o u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o fP e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o fP e tr o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a Un i v e r s i ty o f P e t r o l e u m， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a ； 3 ． T e c h n o l o g y R e s e a r c h De p a r t me n t ， C NOOC R e s e a r c h C e n t e r ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t As a p o t e n t i a l e n e r g y i n t h e f u t u r e ， n a tur a l g a s h y d r a t e h a s b e c o m e a n e w h o t f o c u s o f t h e n a t u r a l g a s i n d u s t r y ． Ba s e d o n t h e me c h a ni s m o f t h e r ma l d i s s o c i a t i o n ， a ma t h e ma t i c a l mo d e l i s s e t u p a n d s o l v e d ． S e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f h y d r a t e s p r o d u c t i o n f r o m t h e r ma l l y i n d u c e d d i s s o c i a t i o n i s c o n d u c t e d t o d e t e rm i n e t h e g o v e m i n g p a r a me t e r s ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t h e r ma l d i s s o c i a t i o n fro n t o f h y dra t e s a n d t h e g a s p r o d u c t i o n a r e ma i n l y i n fl u e n c e d b y p o r o s i ty, i n j e c t i o n t e mp e r a tu r e ， i n i t i a l h y dra t e s a tur a t i o n ， i n i t i a l h y dra t e t e mp e r a t u r e ， t h e rm a l c o n d u c t i v i ty a n d t h e r ma l d i ff us i v i ty o f t h e d i s s o c i a t e d z o n e ， wh i l e t h e t h e r ma l d i s s o c i a t i o n o f h y d r a t e s i s l e s s s e n s i t i v e t o t h e t h e r mo d y n a mi c s p r o p e r t i e s o f t h e h y d r a t e z o n e ． Th i s s tud y i s u s e f u l t o t h e futur e r e s e a r c h o f t h e rm a l d i s s o c i a t i o n o f n a tur a l g a s h y dr a t e s ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s h y d r a t e ； t h e rm a l d i s s o c i a t i o n ； s e n s i t i v i ty a n a l y s i s ； d i s s o c i a t i o n f r o n t ； g a s p r o d u c t i o n 天然气水合物是在低温高压条件下 由轻烃、 C O， 及 H 1 s等小分子气体与水相互作用过程中形成的白 色固态结晶物质， 具有储量大、 能量密度高 、 分布广等 优点 。 』 。目前提 出的天然气水合物的开采方式主要 有降压法、 注热法及注化学剂法 J。降压法作用缓 慢 ， 而且要求储层的初始温度较高 ； 注化学剂法费用 昂贵 ， 不适于大规模的水合物开采 ； 注热法虽然会造 成一定的热损失， 但受环境影响小， 适用于多种储层。 基金项 目 作者简介 1 9 8 2年 Ho l d e r 第一个建立 了热力法开采水 合物的数学模型 ， 论证 了热力法开采天然气水合物 的可行性 ， 为以后的模 型研究 奠定 了基础 ；随后 ， Mc G u i r e _ 6 提 出了 2个热力解析模型 ， 包括前缘驱 替模型和裂缝流动模 型， 认为热力开采方法是最具 吸引力 的开采方式 ； 1 9 9 0年 S e l i m“ 考虑水合物分 解后气体的流动， 将模型进一步发展， 以用于多孔介 质的情况； 1 9 9 9 年 S w i n k e l s l 8 等尝试用常规油气藏 国家高技 术研 究发展计划 8 6 3计 划 “ 天然气水合物模拟开采技 术研 究” 编号 2 0 0 6 A A0 9 A2 0 9 和 国家自然科学基金项 目“ 天 然气水合 物开采机理研究 ” 编号 5 0 4 0 4 0 0 3 部分研究 内容。 李淑霞， 1 9 7 0年 生。1 9 9 5年毕业于中国石油大学 华 东 油气田开发 工程专业 ， 现从事油藏数值模拟 、 天然气水合物 开采机理 研 究工作 ， 教授 ， 博士。 电话 0 5 3 2 8 6 9 8 1 1 6 7 。 李淑 霞等 天然气水合物藏注热开采敏感参数分析 5 5 的热采模拟软件计算带水合物顶的气藏生产情况； 2 0 0 2年 Mo r i d i s 【 9 等在通用模拟器 T O UG H中加 入 E OS H YD R模块并对各种类型水合物藏的开采进 行 了模拟计算 ； 2 0 0 6年唐 良广 、 李刚 等进行 了热力法开采天然气水合物的实验并对能量效率进 行 了分析； 2 0 0 7年杜庆军 H 等建立 了水合物藏注 热开采的数学模型并对实验结果进行了分析。以上 研究都没有分析注热开采过程 中各 因素对分解前缘 移动速度和产气量的影响。 笔者在上述研究基础上， 建立 了简单实用的一维水合物藏注热开采数学模型 并编制 了软件 ， 重点是对影 响水合物热力 开采效果 的参数进行敏感性分析。 1 天然气水合物注热开采的数学模型 Th e ma t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e r ma l d i s s o c i a - t i o n o f na t u r a l g a s h y d r a t e s 在 s e l i m数学模型的基础上 ， 考虑水合物的初始 饱和度， 建立水合物热力开采的～维数学模型， 假设 条件如下 1 一维半无限大区域， 将整个水合物藏 分为已分解 区和未分解区两部分； 2 注入端温度稳 定； 3 忽略气体在水中的溶解； 4 忽略黏滞消耗， 逆反应 ； 5 水合物为固相 ， 分解产生的水留在分解 区的孔隙中不流动， 只考虑气体的流动， 且符合达西 定律。 分解区中气体的连续性方程 鲁 k pg Op - o， 0 5 I ， o o ， f 0 6 r i T r i ， 0 0 8 分解前缘的能量守恒方程 ox ～ Ox 警Cl 一 9 f 式中， P为密度 ， k g ／ m3 t 为时间， S ； X为轴向位置 ， m； k 为渗透率， l O 。 。 ； 为导热系数， w／ m K ； P为 压力 ， P a ； T为温度 ， K； 为热扩散率 ， m ／ s ； 为分 解前 缘位置 ， m； 为气体流速， m／ s ； 为孔隙度； S 为水合物饱和度； ／ z 为黏度， m P a S ； 为气体热容 量 ， J ／ k g K ； QH d 为水合物分解吸热量 ， J ／ k g ； 为 单位质量水合物分解的产气量， 无因次， 取 0 ． 1 2 6 5 。 下标 g表示气体 ， H表示水合物 ， I 表示 已分解区， Ⅱ 表示水合物 区， i 表示初始条件 ， 0表示边界 x - 0处。 利用玻尔兹曼相似变换 进行求解 ， 可以得到 分解前缘位置和产气量等参数。 2 注热开采的敏感参数分析 S e n s i t i v i t y p a r a me t e r s a na l y s i s o f t h e r ma l d i s s o c i a tio n 2 ． 1 孔隙度的影响 Ef f e c to fp o r o s i t y 水合物藏孔隙度分别为 0 ． 1 、 O -3 和0 ．5 时水合物 分解前缘位置和累积产气量见图 l 。可以看出 孔 隙度越大， 分解前缘移动速度越慢， 但累积产气量越 大。这是 因为孔隙度大 ， 孔 隙中水合物储量就大 ， 因 而分解前缘移动速度慢 ， 但在同样 的分解区域下所 得的产气量多。 时 J 司／ d 时 J司／ d 图 1 孔隙度 对水合物分解的影响 F i g ． 1 E ffe c t o f p o r o s i t y o n h y d r a t e d i s s o c i a t i o n 2 ． 2 热扩散系数的影响 Ef f ec t o ft h e r m a l d i f f u s i v i t y 热扩散 系数反映单位 时间内热量扩散 的面积。 已分解区热扩散系数对水合物分解前缘和累积产气 量的影响见图 2 。由图 2可以看出， 已分解区热扩散 系数越大， 分解前缘移动速度越快 ， 累积产气量越大。 这是 因为 已分解 区热扩散系数越大 ， 单位 时间内热 量扩散 的面积大， 因此分解前缘移动得也越快 ， 分解 的水合物量就越多， 产气量就越大。而未分解区的热 扩散系数对分解前缘和累积产气量影响不大。 5 6 石油钻采工艺 2 0 1 0年 3月 第 3 2卷 第 2 期 3 乓 骂 藿 0 时间， d 时间／ d 图 2 已分解区热扩散 系数对水合物分解的影响 F i g ． 2 E f f e c t o f t h e r ma l d i ffu s i v i t y o f t h e d i s s o c i a t e d z o n e o n h y d r a t e d i s s o c i a t i o n 6 2 ． 3 导热系数的影响 Ef f e c t o f t h e r ma l c o nd u c tiv i t y 导热系数是指单位时间内、 单位温度梯度下、 单 位面积所通过的热量。已分解区导热系数越大 ， 水 合物分解前缘移动速度越快 ， 累积产气量越高。这 是因为在 已分解区， 导热系数越大， 热量传递得就越 快， 从而使水合物分解速度加快， 产气量增大。未分 解区导热系数对水合物分解效果的影响与已分解区 正好相反， 即未分解区导热系数增大， 水合物分解前 缘移动速度减慢 ， 累积产气量减小。这是因为未分 解 区的导热系数越大， 传递到未分解区的热量越多， 相应的已分解区所得到的能量就少， 因而分解速率 减慢。但总体看来， 未分解区导热系数的影响不是 很大。 2 ． 4 初始水合物饱和度的影响 Ef f ect o f i n i tia l hy d r a t e s a t ur a tio n 初始水合物饱和度越大 ， 分解前缘移动速度越 慢， 但累积产气量越大。这是因为初始水合物饱和 度越高， 在同样的水合物藏区域内水合物的量就越 多 ， 分解需要的热量就越多 ， 因此分解前缘移动的速 度就越慢， 但由于水合物饱和度高， 分解得到的累积 产气量大。 2 ． 5 注热温度的影响 E f f e c t o f i n j e c t i o n t e mp e r a t u r e 注热温度越高， 水合物分解前缘移动速度越快， 累积产气量越大。这是因为注热温度越高， 输入水 合物藏的热量就越多， 因此水合物分解前缘移动速 度就越快 ， 累积产气量越大。 2 ． 6 水合物藏初始温度的影响 Ef f ect o f i mtia l h yd r a t e t e mpe r a t u r e 水合物藏初始温度越高， 水合物分解前缘移动 速度越快 ， 累积产气量越大。这是因为初始温度越 高 ， 水合物藏达到分解条件所需的热量越少 ， 在 同样 的注热量下水合物分解前缘移动速度越快， 累积产 气量越大。 3 结论及建议 Co n c l u s i o n s a n d s u g g e s t i o n s 1 考虑水合物藏初始饱 和度的影响， 建立了天 然气水合物藏热力开采的数学模型并进行了解析求 解。研究表 明水合物藏孔隙度 、 初 始水合物饱和 度越大， 则分解前缘移动速度越慢， 但累积产气量越 大； 注热温度、 水合物藏初始温度越高， 则水合物分 解前缘移动速度越快 ， 累积产气量越 大；已分解区 热扩散系数和导热系数越大， 分解前缘移动速度越 快 ， 累积产气量越大 ， 未分解区的热物性参数对注热 开采效果影响不大。 2 建立的数学模型忽略了水合物分解后水的流 动， 建议今后建立更加完善的多维多相数值模拟模 型进行分析， 同时进一步开展水合物藏注热开采室 内物理模拟实验 ， 对上述敏感性分析结果进行验证 和深入分析 ， 为实际水合物藏的注热开采提供指导。 参考文献 Ref e r e nc e s l 1 J ME H R AN P o o l a d i D a r v i s h ． Ga s p r o d u c t i o n f r o m h y dra t e r e s e r v o i r s a n d i t s mo d e l i n g【 R]． S P E 8 6 8 2 7 ， 2 0 0 4 ． [ 2] 李淑霞， 陈月明， 杜庆军 ． 天然气水合物开采方法及数 值模拟研究评 J ] ． 中国石油大学学报自然科学版， 2 0 0 6 ． 3 0 3 1 4 6 ． 1 5 0 ． L I S h u x i a ， C HE N Y u e mi n g ， D U Q i n g j u n ． C o mme n ta ry o f p r o d u c t i o n me t h od a n d n u me ri c a l s i mu l a t i o n o f n a t u r a l g a s h y d r a t e[ J ]． J o u rna l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m N a t u r a l S c i e n c e E d it i o n ， 2 0 0 6 ， 3 O 3 1 4 6 ． 1 5 0 ． [ 3 ] 史斗， 郑军卫 ． 世界天然气水合物研究开发现状和前景 [ J ]． 地球科学进展， 1 9 9 9 ， 1 4 4 3 3 0 ． 3 3 8 ． S HI Do u ， Z HE NG J u n we i ， Th e s t a t u s a n d p r o s p e c t s o f r e s e a r c h a n d e x p l o i t a t i o n o f n a t u r a l g a s h y d r a t e i n t h e wo r l d l J J ． Ad v a n c e i n E a r t h S c i e n c e s ， 1 9 9 9 ， 1 4 4 3 3 0 - 3 3 8 ． 1 4 J Y O US I F M H， AB AS S H H， S E L I M M S ， e t a 1 ．E x p e r i - me n t a l a n d t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n o f me t h a n e g a s ．． h y dra t e d i s s o c i a t i o n i n p o r o u s me d i a l R]． S P E 1 8 3 2 0 ， 1 9 91 ． 1 5 j HO L D E R G D， A NG E R T P K． S i mu l a t i o n o f g a s p r o d u c - t i o n f r o m a r e s e r v o i r c o n t a i n i n g b o t h g a s h y dra t e s a n d f r e e n a t u r a l g a s【 Rj． S P E l 1 1 0 5 ， 1 9 8 2 ． 1 6 j MC G UI R E P L ． R e c o v e r y o f g a s fr o m h y dra t e d e p o s i t s u s i n g c o n v e n t i o n a l t e c h n o l o g y[ R]． S P E ／ D OE 1 0 8 3 2 ， 李淑霞等 天然气水合物藏注热开采敏感参数分析 5 7 上接第 5 3页 d e v e l o p me n t t e c h n o l o g y p o l i c i e s o f f a u l t b l o c k o i l r e s e r v o i r l D J ． C h e n g d u S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y , 2 0 0 5 ． [ 3] 罗承建， 徐华义， 李留仁 ． 地层压力水平和注采比与含 水率的定量关系[ J ] ． 西安石油学院学报 ， 1 9 9 9 ， 1 4 4 32 ． 3 4． L U O C h e n g j i a n ， XU H u a y i ， L I L i u r e n ． Q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p b e t we e n f o r ma t i o n p r e s s u r e l e v e l a n d i n j e c t i o n p r o d u c t i o n r a t i o a n d w a t e r c u t[ J ]． J o u r n a l o f Xi ’a n P e t r o l e u m I n s ti t u t e ， 1 9 9 9 ， 1 4 4 3 2 ． 3 4 ． [ 4] 李彦平 ． 注水开发油藏合理压力水平研究 [ J ]． 新疆 石油学院学报， 2 0 0 3 ， 1 5 3 5 2 5 6 ． L I Y a n p i n g ． R e s e a r c h o n r e a s o n a b l e p r e s s u r e o f wa t e r i n j e t - t i o n f o r p r o d u c ti o n l J J． J o u r n a l o f X i n j i a n g P e t r o l e u m I n s t i tut e ． 2 0 0 3 ． 1 5 3 5 2 5 6 ． [ 5 ] 徐荣奎， 田树全 ． 油田注采压力系统研究及应用 『 J ]． 石油天然气学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 3 3 8 3 ． 3 8 5 ． XU Ro n g k u i ， T I AN S h u q u a n ． T h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f i n j e c t i o n p r o d u c t i o n p r e s s u r e s y s t e m i n o i l fi e l d[ J ]． J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y , 2 0 0 5 ， 2 7 3 3 8 3 3 8 5 ． [ 6 ] 王鸿勋， 张琪 ． 采油工艺原理 [ M ]． 北京 石油工业出 版 社 ． 1 9 8 1 ． WA NG Ho n g s h u n ， Z HA N G Q i ． P r i n c i p l es o f p e tr o l e u m e n - g i n e e r i n g l Mj． B e U i n g P e tr o l e u m I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 8 1 ． [ 7] 何 更生 ． 油层物 理 [ M]． 北京石 油工业 出版社， 1 99 4245 2 49． HE G e n g s h e n g ． R e s e rvi o r p h y s i c s【 M] ． B e i j i n g P e tr o l e u m I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 9 4 2 4 5 - 2 4 9 ． [ 8 ] 李颖川 ． 采油工程 [ M]． 北京石油工业 出版 社， 200 22 1 5． L I Y mg c h u a n ． P e tr o l e u m e n g i n e e ri n g[ M] ． B e i j i n g P e t r o - 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